Прежде чем квантовые компьютеры смогут начать быстро решать сложнейшие задачи, недоступные классическим суперкомпьютерам, они должны научиться работать с миллионами взаимосвязанных кубитов. Двигаясь к этой цели, специалисты из США создали масштабируемую, модульную аппаратную платформу, интегрирующую тысячи кубитов в одну настраиваемую интегральную схему. Такая «квантовая система на чипе» позволяет точно управлять плотным массивом кубитов.

Команда инженеров из Массачусетского технологического института (MIT) выбрала из множества вариантов кубиты на центрах окраски алмаза, или NV-центрах. Это, фактически, искусственные атомы, способные переносить квантовую информацию. Поскольку центры окраски алмазов — твердотельные системы, изготовление кубитов сравнимо с современными технологиями производства полупроводников. Кроме того, они компактные и обладают относительно длительным временем когеренции, то есть периодом стабильности. Вдобавок, центры окраски алмазов можно соединять, или спутывать удаленно с другими кубитами, находящимися на большом расстоянии.

Считается, однако, что негомогенность центра окраски алмазов — это недостаток по сравнению с ионами или нейтральными атомами. Команде из MIT удалось обратить этот недостаток в преимущество, использовав разнообразие искусственных атомов, у каждого из которых своя спектральная частота. Это позволило наладить связь с каждым отдельным атомом при помощи напряжения, чтобы они резонировали с лазерным лучом.

Трудность заключалась в том, чтобы добиться такого эффекта в большом масштабе, сообщает MIT News. Преодолеть ее исследователи смогли, встроив большой массив кубитов в чипы КМОП. Этот чип можно снабдить встроенной цифровой логикой, которая быстро и автоматически меняет конфигурацию напряжения, обеспечивая контроль над кубитами и позволяя им достигать полного взаимодействия. Для создания КМОП, исследователи разработали техпроцесс переноса «микрочиплетов» на монтажную шину.

«Это компенсирует негомогенную природу этой системы, — пояснил Ли Линьсэн, главный автор статьи. — С этой платформой КМОП мы можем быстро и динамично настраивать частоты всех кубитов».

Таким методом исследовали собрали чип на 4000 с лишним кубитов, которые можно настроить на одну частоту, удерживая их спины и оптические свойства. Также они создали цифровую копию устройства, которая позволит лучше разобраться в причинах наблюдаемого феномена и определить, как повысить эффективность этой архитектуры. В будущем исследователи намерены оптимизировать производительность системы, взяв более качественные материалы для кубитов и разработав более точные процессы контроля.